[发明专利]一种含有掺杂工艺的铜锌锡硫薄膜制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电材料及新能源材料领域，具体是指一种含有掺杂工艺的铜锌锡硫薄膜制备方法。 

背景技术

面对日益增长的能源需求和日益恶化的环境状况，可再生清洁能源发展迫在眉睫。太阳能电池把取之不尽用之不竭的太阳能直接转化为电能具有广阔的应用前景。薄膜太阳能电池具有用料少、重量轻、成本低等优点是太阳能电池发展的重要方向。铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池是目前技术最成熟，模组效率最高的薄膜太阳能电池，多年以来人们进行了广泛的研究。然而，铜铟镓硒薄膜太阳能电池的大规模普及受到其原料供应的限制。铟属于稀有金属，矿产量较低，再加上液晶板的电极制造过程中会使用大量的铟材料，使得铟得价格持续走高，因此铜铟镓硒薄膜太阳能电池成本仍然较高。铜锌锡硫（CZTS）薄膜太阳能电池具有薄膜太阳能电池众多优点的同时兼具原材料丰富、无毒的优点，受原材料供求关系影响小且对环境友好因而是理想的光伏电池。2012年Mitzi, David B在《Progress in Photovoltaics: Research and Applications》的2012年第20卷第1期第6至11页发表了“Device characteristics of a 10.1% hydrazine-processed Cu2ZnSn(Se,S)4 solar cell”（10.1%效率的联氨工艺制备的铜锌锡硫硒太阳能电池的器件表征）文章报道了目前世界最高效率（10.1%）的铜锌锡硫族太阳能电池。在与铜锌锡硫薄膜太阳能电池相似的铜铟镓硒薄膜太阳能电池研究中，Yuan，Min等人在《Chemistry of Materials》2009年 第22卷第2期第285至287页发表“Optimization of CIGS-Based PV Device through Antimony Doping”（通过锑掺杂优化铜铟镓硒基光伏器件）中通过掺杂锑元素使铜铟镓硒薄膜结晶性大大提高，并且在较低的热处理温度下就能达到很好的结晶效果，从而使热处理温度降低。  

目前铜锌锡硫（CZTS）太阳能电池存在的主要问题之一是其吸收层材料铜锌锡硫薄膜的结晶性较差，难以制备晶粒较大的薄膜。为了得到结晶性较好的薄膜，普遍采用高温热处理的方法，典型温度在400℃至600℃之间。然而，一方面由于锡及其硫化物蒸汽压较高，在较高温度下会导致锡元素流失；另一方面，铜锌锡硫化合物在高温下也会分解形成二元或三元化合物的杂相。

发明内容

本发明的技术任务是针对上述现有技术中的不足提供一种含有掺杂工艺的铜锌锡硫薄膜制备方法，该方法可以有效解决铜锌锡硫薄膜太阳能电池吸收层即铜锌锡硫薄膜的结晶性较差的问题。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该种含有掺杂工艺的铜锌锡硫薄膜制备方法，其步骤包括：a、提供一衬底；b、将铜、锌、锡三种金属沉积在衬底上，形成金属前躯体；c、在金属前躯体上沉积含有锑元素的膜层作为掺杂层；d、将金属前躯体及掺杂层在含硫的气氛下热处理，此过程中硫元素与铜锌锡形成铜锌锡硫薄膜。 

可选的，在步骤a中，所述衬底为玻璃、硅片、不锈钢、聚酰亚胺中的一种。 

可选的，在步骤b中，所述的铜、锌、锡三种金属沉积方式为叠层沉积或者三种金属的合金沉积。 

可选的，在步骤b中，所述铜、锌、锡三种合金的元素化学计量比通过膜层厚度调节达到的比例为2：1：1。 

可选的，在步骤c中，所述的含有锑元素的膜层作为掺杂层，锑元素的存在形式为单质或者化合物。 

可选的，在步骤c中，所述的掺杂层在步骤b制得的金属前驱体之上或者在金属前驱体和衬底之间。 

可选的，在步骤d中，所述含硫的气氛为硫单质或者硫化物。 

可选的，在步骤d中，所述热处理的温度为100℃～600℃。 

可选的，在步骤d中，热处理过程需用的保护气体为氮气或氩气。 

本发明具有以下突出的有益效果：由于在金属前躯体上沉积含有锑元素的膜层作为掺杂层，即该方法对铜锌锡硫薄膜进行了掺杂，因此它改善了铜锌锡硫的结晶性，降低了结晶温度，提高了薄膜的质量，同时还降低了工艺难度和成本，具有很好的推广利用价值。 

附图说明

附图1是本发明的制备工艺流程图； 

附图2是本发明的铜锌锡硫薄膜制备结构示意图；

附图标记说明：1衬底，2铜，3锌，4锡，5 Sb₂S₃薄膜。 

具体实施方式